Диаграмма состояния железо-углерод

Железо и его сплавы – важнейшие конструкционные материалы в технике, и в особенности в машиностроении. Разнообразие фазовых и структурных составляющих в системе железо-углерод способствует получению сталей и чугунов с заданными механическими свойствами.

В виду того, что в машиностроении нельзя использовать сплавы с содержанием углерода свыше 6,67 % С ввиду их очень высокой хрупкости, то диаграмму состояния обычно изображают для соединения Fe₃C – цементита, содержащего 6,67 % углерода.

Диаграмма состояния железо-цементит

Компоненты диаграммы

Железо – серебристо-серый металл, принадлежащий к VIII группе периодической системы, температура плавления Т=1536 С. Железо в твердом состоянии может находиться в двух полиморфных модификациях: объемноцентрированного (а) и гранецентрированного (б) куба.

объемноцентрированная решетка (ОЦК) -железо	гранецентрированная решетка (ГЦК) -железо

в

Из схемы изменения свободной энергии (в) следует, что с интервале температур 910-1392С меньшую свободную энергию и большую стабильность имеет -железо с кристаллической решеткой ГЦК. Ниже 910 С и 1392 С устойчиво -железо с ОЦК решеткой. Высокотемпературную модификацию -железа иногда называют -железом, хотя оно не представляет собой новой кристаллической формы. Ниже температуры 768 С железо магнитно, выше этой температуры железо теряет свои магнитные свойства.

Углеродв железоуглеродистых сплавах находится в химически связанном или свободном состоянии. Принадлежит к IV группе периодической системы, является неметаллом. Температура плавления 3500 С. Имеет две кристаллические модификации – графита и алмаза. При нормальных условиях стабилен графит, он имеет гексагональную решетку. Алмаз получается при высоких давлениях и температурах, имеет кубическую (метастабильную) решетку.

Фазовые составляющие:

Ф – феррит – твердый раствор внедрения углерода в -железе, магнитен до 768С. Максимальная растворимость углерода в феррите составляет 0,02 % при Т=727С, при комнатной температуре растворимость углерода в феррите уменьшается до 0,006 %. Твердость феррита НВ=80-100, высокопластичен, хорошо обрабатывается давлением в холодном состоянии.

А – аустенит – твердый раствор внедрения углерода в -железе, немагнитен. Максимальная растворимость углерода в -железе составляет 2,14 % при температуре 1147С. Высокопластичен, но более тверд, чем феррит (твердость аустенита НВ=160-200).

Ц – цементит – карбид железа Fe₃C, в котором содержится 6.67 % С. Магнитен до 210 С. Температура плавления 1252 С. Обладает высокой твердостью (около 800 НВ). Очень хрупок, имеет почти нулевую пластичность. В зависимости от условий образования различают:

• первичный Ц_I – выделяется непосредственно из жидкой фазы, наиболее грубые выделения;

• вторичный Ц_II – выделяется из аустенита при достаточно высоких температурах и высокой скорости диффузии, в виде сетки по границам зерен;

• третичный Ц_III – выделяется из феррита при сравнительно низких температурах, обычно внутри зерен в виде дисперсных включений, которые увеличивают прочность феррита.